Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Принцип функционирования, состав и особенности инерциальной навигационной системы.






1. Назначение и особенности ИНС. ИНС представляет собой трехканальную систему определения местоположения, скорости и угловой ориентации ЛА. При этом информация о скорости и местоположении ЛА получается посредством интегрирования в бортовом вычислительном комплексе вектора ускорения ЛА, который измеряется системой чувствительных элементов - акселерометров, устанавливаемых либо на гиростабилизированной платформе, либо жестко закрепленных на корпусе ЛА.

Основными преимуществами использования ИНС по сравнению с другими навигационными измерителями являются:

· высокая помехозащищенность, поскольку ИНС не излучает сигналов в пространство и не принимает их;

· способность работать в широком диапазоне условий - при любых скоростях и высотах полета и любых угловых положениях ЛА;

· высокая точность оценки параметров положения и скорости ЛА.

 

Указанные преимущества ИНС способствовали их широкому применению в системах управления как на беспилотных ЛА различных классов, так и на пилотируемых

Недостатком ИНС является то, что ошибки навигации ЛА при её использовании возрастают с течением времени. Например, среднеквадратическая ошибка за счет кратковременных уходов современных гироскопов, входящих в состав ИНС, может достигать 120 метров за 10 мин; ошибка за счет уходов длительной периодичности может достигать 2.....4 км за час полета, поэтому счисление пути с помощью ИНС может привести к неприемлемым ошибкам навигации.

 

Поэтому при длительной навигации ЛА с использованием ИНС должна осуществляться её периодическая коррекция по данным, получаемым с какой-либо другой навигационной системы, например спутниковой навигационной системы, корреляционно-экстремальной навигационной системы по карте местности.

 

В настоящее время в составе КСН используются два основных типа ИНС- платформенные и бесплатформенные.

 

Исторически первыми появились платформенные ИНС, построенные на базе гиростабилизированной платформы (ГСП) с установленными на ней акселерометрами. Однако, по мере развития подобных ИНС появились сложности с обеспечением их комплексирования с другими системами, а возможность повышения точности оказалась связанной с увеличением массы и габаритов платформы из за размещения на ней более тяжелых акселерометров.

 

В последнее время все более широкое распространение получают бесплатформенные ИНС (БИНС). Достоинством БИНС является отсутствие подвеса, фиксирующего положение ГСП, что снижает стоимость, массу, потребляемую мощность и повышает надежность системы. Для БИНС характерно то, что вычисление текущих координат и угловой ориентации осуществляется в БЦВМ на основе измерений угловых скоростей вращения связанной системы координат (ССК). Такую информацию дают скоростные гироскопы или датчики угловых скоростей и акселерометры установленные на корпусе ЛА вдоль осей связанной системы координат. Однако, точностные характеристики лучших БИНС, использующие например лазерные гироскопы, только приближаются к характеристикам платформенных ИНС.

 

2. Принцип действия и структурная схема ИНС. Определение положения и скорости ЛА с помощью ИНС осуществляется на основе интегрирования уравнений движения центра масс ЛА в поле тяготения Земли. Это уравнение в векторной форме в инерциальной системе координат записывается следующим образом:

d2r/dt2 = n + g (r),

где r - радиус вектор ЛА относительно центра масс Земли, n, g(r) - векторы ускорения ЛА, обусловленные действием на него внешних сил и силы тяготения Земли, соответственно.

(Напомню, что представляет собой инерциальная СК. В баллистике принято называть абсолютной системой координат прямоугольную декартову СК, начало которой совпадает с центром масс солнечной системы, а оси неподвижны относительно звезд. Всякая система координат, перемещающаяся поступательно равномерно и прямолинейно относительно абсолютной системы координат называется инерциальной системой координат. В качестве инерциальной системы координат может рассматриваться земная инерциальная система координат, центр которой совпадает с центорм общего земного эллипсоида, ось ОУ направлена по радиус-вектору, поведенному из центра общего земного эллипсоида через точку сарта, ось ОХ направлена в плоскости местного меридиана к северному полюсу, а ось ОZ дополняет систему до правой тройки.

В неинерциальной системе координат помимо относительного ускорения, описывающего перемещение в этой системе координат, необходимо также учитывать переносное и кориолисово ускорение, что усложняет уравнение движения ЛА.).

 

В приведенном уравнении ускорение n, обусловленное действием внешних сил, измеряется с помощью акселерометров., углы, определяющие взаимное положение системы координат, связанной с акселерометрами и инерциальной системы координат, в которой осуществляется интегрирование приведенного уравнения, физически реализуется с помощью гироскопов. Акселерометры не измеряют гравитационное ускорение g(r), поэтому это ускорение вычисляют путем введения в математическую модель поля тяготения Земли, имеющегося на борту, координат ЛА в гринвичской системе координат, к которой, как правило привязана модель этого поля.

 

Таким образом ИНС включает в себя следующие элементы:

· акселерометры, измеряющие ускорение внешних сисл, действующих на ЛА;

· гироскопы, определяющие в инерциальном пространстве, систему координат, связанную с акселерометрами;

· вычислитель, необходимый для расчета гравитационных ускорений и интегрирования уравнений движения;

· таймер, измеряющий время необходимое для интегрирования уравнений.

 

Рассмотрим принципы действия упомянутых ранее основных типов ИНС-платформенных и бесплатформенных.

В бесплатформенных ИНС акселерометры расположены непосредственно на корпусе ЛА и поэтому измеряют ускорения в связанной системе координат. Входящие в состав таких систем три скоростных гироскопа, измеряющие соответственно три взаимно перпендикулярных составляющих проекции абсолютной угловой скорости ЛА, и реализующие тем самым измерение абсолютной угловой скорости ЛА, определяют угловую скорость вращения связанной системы координат относительно системы координат, в которой осуществляется навигация. Дальнейшее интегрирование этих угловых скоростей позволяет вычислить направляющие косинусы, определяющие взаимное положение связанной системы координат и системы координат, используемой для целей навигации ЛА. Используя рассчитанные значения направляющих косинусов осуществляется пересчет ускорений, измеренных с помощью акселерометров в связанной СК, в ускорения относительно системы координат, используемой для навигации. После интегрирования этих ускорений получают скорости и координаты ЛА.

В платформенных ИНС акселерометры и гироскопы размещены на платформе, помещенной в трехстепенной карданов подвес, или иначе гиростабилизированной платформе. Положение ГСП относительно инерциальной системы задается путем определения местной вертикали и угла азимута. В свою очередь платформенные ИНС в зависимости от способа определения текущей вертикали к поверхности Земли и угла азимута, характеризующего в горизонтальной плоскости взаимное положение системы координат, задаваемой ГСП, и инерциальной СК, подразделяются на три типа:

· аналитические ИНС;

· полуаналитические ИНС;

· геометрические ИНС.

 

В ИНС аналитического типа гиростабилизированная платформа с установленными на ней акселерометрами задает некоторую наперед заданную систему координат. В качестве такой наперед заданной системы координат обычно используют начальную стартовую систему координат, которая совпадает со стартовой в момент запуска ЛА, а в дальнейшем не меняет своей ориентации относительно абсолютного пространства. Стартовая система координат используется для определения местоположения ЛА относительно точки старта. Она представляет собой прямоугольную систему координат, начало которой совпадает с точкой старта, ось ОХ расположена в касательной плоскости к поверхности Земли и ориентирована в направлении прицеливания. Ось ОУ направлена по линии отвеса вверх. Ось ОZ дополняет систему координат до правой тройки. Таким образом, В ИНС аналитического типа направление осей акселерометров совпадает с направлением осей начальной стартовой системы координат и не зависит ни от местоположения ЛА, ни от других параметров движения. Управление пространственной ориентацией ГСП в системах такого типа осуществляется программным устройством в зависимости от времени полета. Положение местной вертикали и азимут определяются на основе аналитических соотношений.

 

В ИНС полуаналитического типа гироплатформа физически реализует местную вертикаль, то есть гироплатформа с расположенными на ней акселерометрами в процессе движения ЛА поддерживается в строго горизонтальном положении, а гироскопы определяют географическую систему координат, неподвижную относительно Земли. В таких системах азимут определяется аналитически.

 

В ИНС геометрического типа положение местной вертикали и азимута задаётся ГСП путем её соответствующего разворота. Сигналы на разворот платформы вырабатываются в зависимости от положения и составляющих вектора скорости ЛА.

 

С учетом всего сказанного принцип действия платформенной ИНС можно проиллюстрировать с помощью следующей функциональной схемы.

На приведенной схеме обозначены: dr0/dt, r0, g0, u0, y0 соответственно начальные значения скорости и координат ЛА, а также значения углов, характеризующей положение системы координат, связанной с акселерометрами относительно инерциальной системы координат, используемой для навигации. Измерение текущих углов, характеризующих пространственную ориентацию осей гиростабилизированной платформы реализуется с помощью гироскопов. Стабилизатор обеспечивает компенсацию рассогласования этих углов с заданными начальными значениями. Все перечисленные величины задаются в ИНС перед началом её работы от внешних источников. Процесс задания начальных параметров называется начальной выставкой инерциальной системы.

 

 

 


Как следует из приведенной схемы для определения местоположения и скорости ЛА с помощью ИНС необходимо вычислять гравитационное ускорение Земли g(r). Обычно для вычисления гравитационного ускорения в качестве модели Земли используется эллипсоид Красовского. В этом случае радиальная gr и горизонтальная (то есть лежащая в плоскости местного горизонта) gj составляющая определяются на основе следующих соотношений:

 
 
gr = - mM/r2[1+Ja2/r2(1-3sin2j)]+rW2cos2j gj = - [ mMa2/r4 +1/2rW2 ]sin2j

 


m - универсальная гравитационная постоянная; M - масса Земли; j - широта в геоцентрической системе координат или геоцентрическая широта; a - большая полуось земного эллипсоида; r - радиус вектор из цента Земли до текущей точки на её поверхности; J - эмпирическая константа J= 0.0016; W - угловая скорость вращения Земли.

Последнее слагаемое в приведенных выражениях обусловлено вращением Земли, остальные слагаемые – притяжением массы Земли.

Радиус вектор из цента Земли до текущей точки на её поверхности r рассчитывается через высоту полета ЛА на основе следующего соотношения:

 

r = a(1-1/2е2sin2j)]+h


h - высота над поверхностью земного эллипсоида; е - эксцентриситет земного эллипсоида.

 

Приведенные соотношения определяют составляющие ускорения силы тяжести в геоцентрической системе координат. Зная матрицу преобразования из геоцентрической системы координат в систему координат, в которой производится интегрирование уравнений движения ЛА, можно определить ускорение силы тяжести относительно последней.

3. Начальная выставка инерциальной системы. Для осуществления навигации ЛА с помощью ИНС необходимо знать начальное положение и скорость. Кроме того, для измерения ускорений внешних сил необходимо перед началом работы выставить в заданном направлении оси акселерометров (оси платформы, на которой они расположены). Обычно эта информация вводится в навигационный вычислитель от внешних источников информации. Частью этого процесса, который называется начальной выставкой ИНС, является также калибровка гироскопов инерциальной системы, то есть оценка и последующая компенсация их дрейфа. Погрешности с которыми определяется и реализуется каждая из перечисленных величин, составляют начальные ошибки ИНС.

 

Рассмотрим некоторые способы начальной выставки ИНС. Прежде всего рассмотрим способы определения начальных координат и скорости ЛА.

 


Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2024 год. (0.01 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал